Principios físicos de la fisión nuclear

Publicado el Lunes, 28 de marzo de 2011 por MiGUi en Física
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La noción de “fisión nuclear” más extendida evoca una situación en la que un átomo muy pesado e inestable se rompe liberando neutrones que a su vez ayudan a que otros átomos se rompan y se produzca la famosa reacción en cadena que va liberando cantidades muy grandes de energía. Veremos a lo largo de este post diferentes matices al respecto.

Necesitamos una serie de ingredientes o condiciones para que un átomo inicie esta cadena. ¿Por qué se rompe un núcleo? Ya hablé en otras ocasiones sobre por qué no existen átomos con cualquier número de protones y allí expliqué que experimentalmente sabemos que los núcleos son estables hasta 92 protones (Z=92) y, a partir de ahí, los elementos son sintéticos (vamos, que no existen en la naturaleza, aunque esto no está exento de controversia y el límite podría ser Z=93, por el Plutonio 244 ).

Recordemos que un núcleo atómico es una carga netamente positiva de protones y neutrones. La razón de que estos protones sean capaces de vencer la repulsión electrostática que surge del hecho de que tienen la misma carga la encontramos en la interacción fuerte residual, también llamada interacción nuclear fuerte (siempre que le pongamos el apellido “nuclear” nos referimos a la residual). Si la cromodinámica cuántica te suena a chino mandarín, te recomiendo que le eches un vistazo a esto antes de continuar.

Y no es interacción fuerte sin el apellido de residual o nuclear porque lo que realmente sucede es que se produce el intercambio, mediante interacción fuerte, de mesones \pi entre protones y neutrones. En el siguiente diagrama de Feynman se ve más claro:

Mediante el intercambio de mesones \pi, los neutrones y protones mantienen la cohesión y la estabilidad del núcleo, gracias además a que las parejas protón-neutrón son particularmente estables lo cual contribuye a que en el núcleo el neutrón sea una partícula estable y fuera de él tenga 15 minutos de periodo de semidesintegración.

Para entender los dires y diretes del núcleo es mejor no imaginárselo como si los protones y neutrones no compartieran el lugar y fueran bolitas pegadas entre sí, al estilo de una mora. Mejor, nos lo imaginamos como una sopa en la que están las partículas disueltas. Así podremos entender mejor por qué un electrón tiene una probabilidad no nula de atravesar el núcleo sin despeinarse mucho y también es más útil para entender las interacciones a nivel nuclear.

¿Qué pasa cuando el núcleo va haciéndose más grande? Pues sucede que la interacción nuclear fuerte ya no es capaz de mantener la cohesión frente a la cada vez más grande interacción electrostática. Por eso llegados a cierto punto los átomos se rompen al no ser capaces de mantener su propia cohesión. Y esto sucede más o menos cuando el núcleo tiene 92 protones, que corresponde al átomo de Uranio.

El Uranio lo encontramos en la naturaleza en forma mineral, formando parte en distintas concentraciones de rocas, algunas tan familiares como el granito aunque en concentraciones extremadamente pequeñas. Se extrae normalmente de la pechblenda o uranitita.

Los dos isótopos más abundantes en la naturaleza son, en un 99.3% el Uranio 238 (146 neutrones y 92 protones) que tiene un periodo de semidesintegración de unos 4500 millones de años y en un 0.71% de Uranio 235 (143 neutrones y 92 protones) cuyo periodo de semidesintegración es de unos 740 millones de años.

El Uranio 238 se desintegra mediante la emisión de radiación alfa (núcleos de Helio) a Torio 234 muy lentamente. El Uranio 235 lo hace mediante desintegración beta (electrones). La fisión de un núcleo de Uranio libera mucha energía. La desintegración da lugar a distintos productos de fisión qu a su vez son fisibles y pueden irse descomponiendo en otros más sencillos. Esto se conoce como cadena de desintegración.

La concentración en la naturaleza del Uranio 235 es muy pequeña. Para poder utilizarlo con fines energéticos o fines bélicos hace falta enriquecerlo. Es decir, aumentar la proporción de Uranio 235 sobre el total. El enriquecimiento del uranio es uno de los pilares de la industria nuclear. Para poder utilizarlo en reactores de agua ligera, se puede llegar a enriquecer hasta un 20%, mientras que para armas nucleares puede superar el 80%.

Hemos visto que el periodo de semidesintegración del Uranio 235 es bastante elevado. Así que únicamente con esto no hacemos mucho, o no hacemos casi nada. Interesa de algún modo controlar y poder provocar que el Uranio 235 se rompa y alimente una reacción de la que podamos sacar energía para realizar un trabajo.

Y aquí viene el quid de la cuestión: cuando el 235U se desintegra se liberan 3 neutrones muy energéticos que pueden colisionar con 3 núcleos de 235U provocando una reacción en cadena cada vez más grande y liberando cada vez más energía. Pero esto tiene sus dificultades.

La primera es que los neutrones van muy rápidos. Salen del núcleo de 235U a unos 15.000 kilómetros por segundo. Esto implica que podrían recorrer el ecuador terrestre en 3 segundos si no se encontraran con nada por el camino. En cualquier caso, la radiación neutrónica emitida es muy energética y tan rápida que no sería efectiva para nuestro propósito, porque antes de darnos cuenta se han ido demasiado lejos.

Pero no solo eso. En este negocio de las interacciones nucleares hay un concepto clave para entender si una interacción tiene visos de ocurrir o no y es la sección eficaz. La sección eficaz está íntimamente relacionada con la probabilidad de la interacción, y lo explicaré de forma simple para no complicarnos. Si nos imaginamos la partícula que va a ser objeto de la interacción como si fuera una diana, o una partícula “blanco” y la radiación que va a interactuar como un proyectil, entonces la sección eficaz nos dice cuán grand es esta diana.

Si la partícula entra en el área del espacio encerrada por la sección eficaz entonces la interacción con el blanco tendrá lugar. Si hablamos de interacciones, recordemos que no se necesita estar en contacto físico para interactuar, que ocurren a distancia. Un electrón puede ser desviado y frenado por una carga positiva sin llegar a tocarla, y esto se puede saber determinando la sección eficaz. Si la sección eficaz es muy pequeña, las posibilidades de interacción son muy pequeñas.

Si consideramos el núcleo del átomo como una esfera rígida de unos 10^{-12} cm de diámetro y teniendo en cuenta que la sección eficaz depende del área (que a su vez, depende del cuadrado del radio) esto da lugar a valores del orden de 10^{-24} cm2. Por simplicidad, se definió el barn de modo que 1 b = 10^{-24} cm2. En la biblografía casi siempre encontraréis esta unidad cuando se habla de secciones eficaces y de interacciones nucleares.

¿Qué tiene que pasar para que un núcleo interaccione con un neutrón que le viene desde fuera? Debemos establecer esta discusión en términos de la temperatura neutrónica (básicamente, la energía que tenga indicará lo rápido o lento que irá y por tanto la sección eficaz de la interacción será distinta).

Por eso se suele hablar de neutrones rápidos y neutrones térmicos. Los neutrones rápidos, como los emitidos por el 235U tienen energías de 1 MeV o más y su velocidad es muy alta. Esto hace que la probabilidad de la interacción sea pequeña, y por tanto el orden de magnitud de la sección eficaz para neutrones rápidos es de 1 barn.

Los neutrones térmicos tienen una energía mucho menor, del orden de 0.025 eV que coincide con el máximo en la distribución de velocidades, considerando al neutrón una partícula clásica que sigue la estadística de Maxwell-Boltzmann a 290 K de temperatura.

La sección eficaz para que los neutrones térmicos interaccionen con el núcleo es de 1000 barn. Como vemos, mil veces mayor que en el caso de los neutrones rápidos. A partir de aquí podemos dar con dos situaciones: la de captura neutrónica, en la que el núcleo absorbe un neutrón, y la de fisión, en la que ese neutrón estimula la ruptura del núcleo, que es básicamente lo que buscamos. En la siguiente imagen (Wikimedia Commons) vemos una gráfica que muestra la dependencia inversa de la sección eficaz del 235U con respecto a la energía.

Cuando un neutrón se aproxima al núcleo puede ser dispersado (scattering) o absorbido, como hemos dicho. Si se absorbe, el núcleo se convierte en un nuevo isótopo. En particular, el 235U se convierte en 236U* (el * denota que el núcleo se encuentra en un estado excitado). El 236U* puede deshacerse de la energía sobrante de distintas maneras. Lo más sencillo es que el neutrón sea expulsado del núcleo. También, el núcleo puede emitir radiación gamma y liberarse de ese exceso de energía. O bien, desintegrarse \beta convirtiendo ese neutrón en protón y liberando otras partículas. Pero de hecho lo más probable (casi en un 90%) es que el 236U se fisione liberando toda esa energía. Normalmente este proceso continúa de forma muy similar, el producto de desintegración si es el 232Th se excitará en 233Th* que a su vez emitirá una partícula \beta y pasará a ser 233Pa, etcétera.

Si lo que queremos es aprovechar la gran sección eficaz que tienen los neutrones térmicos entonces habrá que frenar de alguna manera los neutrones rápidos, enfriarlos o termalizarlos, como más nos guste decirlo. Esto se logra introduciendo un material que interaccione con los neutrones emitidos y los ralentice. Este material se llama moderador y su función es permitir que la reacción nuclear de fisión tenga lugar en los términos deseables. A menudo se confunde con las barras de control, cuya función es absorber todos los neutrones posibles y detener la reacción. El moderador es vital para que tenga lugar la reacción de fisión en un reactor nuclear. Sin un moderador quedará la radiación natural al disminuir drásticamente la eficiencia de la fisión.

Entre los moderadores nucleares podemos encontrar el grafito (usado por ejemplo en los soviéticos RBMK tipo Chernóbyl), agua líquida (ya sea agua pesada como en los reactores CANDU o agua ligera en los PWR/BWR). En Chernóbyl por ejemplo, la misma barra llevaba una parte de grafito moderador (4.5 metros) y otra de carburo de boro para control (7 metros).

La elección del material moderador afecta de forma decisiva al diseño del mismo. En los reactores primitivos de grafito se construían bloques mecanizados de gran precisión y pureza diseñados para eliminar el calor de forma efectiva (el grafito conduce bastante bien el calor) dado que iba a colocarse en la parte más caliente. Su misión de moderador de la radiación neutrónica tiene que vérselas con el efecto Wigner, que es un efecto físico según el cual la radiación neutrónica es capaz de desplazar de su sitio a los átomos que eforman parte de la red cristalina, alterando por tanto las propiedades mecánicas de la estructura. No obstante, a partir de unos 250ºC el grafito es capaz de regenerar su estructura por lo que en reactores más modernos, no supone un verdadero problema.

El principal inconveniente del grafito es que en un escenario de fusión del combustible (es decir, cuando el uranio pasa a estar en estado líquido) el calor puede provocar que se incendie, y es un fuego muy difícil de controlar. Eso unido a que se ve alimentado por el calor emitido por el combustible fundido que puede aportar decenas o cientos de megawatts de energía convierte esto en algo bastante parecido al infierno. Contra este infierno desatado y completamente expuesto al aire lucharon durante semanas miles de liquidadores en Chernóbyl mientras la bestia emitía a la atmósfera toneladas de material radioactivo, parte del cual eran elementos no volátiles. Y es que mientras la radiación emitida sea de elementos volátiles (Yodo-131, Cesio-137, etcétera) la cosa no pinta terriblemente mal.

Por último, se suele referir al concepto de masa crítica para entender qué cantidad de material fisible es necesario, como mínimo, para poder sostener una reacción de fisión en cadena. Conseguir una masa crítica es una condición necesaria para lograr un arma nuclear. El principio del diseño de la bomba de fisión era por tanto muy simple: dos masas subcríticas que mediante una detonación se juntaban y eran iniciadas por una mecha emisora de neutrones, y PUM!

Por supuesto que no necesariamente una masa crítica implica devastación y explosión nuclear. Recordemos los porcentajes de enriquecimiento y que la mayoría del combustible en un reactor de Uranio es Uranio 238, que además de estar de espectador tiende a frenar el brío del Uranio 235 capturando neutrones rápidos, para convertirse en Plutonio 239 que sí es fisible. Cuando se recargan de combustible los reactores, normalmente al cabo de unos años, el Plutonio 239 que se haya producido por transmutación del Uranio 238 se habrá fisionado a su vez en productos que capturan neutrones (actínidos y transuránidos). En estas recargas se suele encontrar que el Plutonio 239 representa menos del 1% del total de combustible que queda. Y como es tan físil como el Uranio 235 puede extraerse y utilizarse en reactores que admitan el uso de combustible nuclear de mezcla de óxidos con hasta un 7% de plutonio, como es el reactor 3 (BWR-4) de Fukushima.

En el caso de que todo el combustible se funda, las barras de control ya no son tan efectivas y por eso se intentará inyectar a través de los circuitos de refrigeración o como sea, agua con boro o algún otro veneno nuclear (es decir, una sustancia que sea capaz de absorber neutrones con gran eficacia) disuelto, para poder controlarla llegado el caso.

Referencias:

- Ingeniería de reactores nucleares; 1990, Samuel Glasstone,Alexander Sesonske, Technology & Engineering.

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Trackbacks/Pingbacks a esta entrada:
  1. DarkSapiens dice:

    Buena entrada, MiGUi, muy explicativa :)

  2. Ontureño dice:

    Buena entrada, me ha molao. A ver si tú sabes… ¿qué diferencia hay entre la “criticidad” de un reactor nuclear y la de una bomba atómica? Y relacionado ¿por qué un núcleo fundido puede ser crítico pero no cabe la posibilidad de que explote como una bomba?

    • MiGUi dice:

      Te respondo a una parte:

      El núcleo fundido puede llegar a ser crítico porque al ser un líquido empiezan a poder separarse según su peso los distintos elementos.

  3. Francisco Sotomayor dice:

    Se dice que el uranio como el petróleo está en extinción, y que cada día es más difícil y costosa su extracción. ¿Es verdad esto?. Gracias.

    • MiGUi dice:

      Claro. Es un recurso limitado y escaso. Si ya el Uranio por sí es escaso, el Uranio que sirve para la fisión es una fracción muy pequeña de este.

      Para colmo los países productores de Uranio principalmente son sitios de dudosa jurisdicción y estabilidad. Tipo Níger, por ejemplo.

  4. Gabriel Campos dice:

    Hola:
    Siempre he pensado que mantener un reactor estable es como mantener un motor de un coche en marcha. Imagino un motor de explosión o de combustión girando a un régimen de revoluciones óptimo (p.ej 800 RPM)y de pronto reducir poco a poco las revoluciones artificialmente hasta (p.ej 300 RPM), en ese momento el motor se para. Algo así me imagino cuando pienso en Chernobyl, creo que redujeron la potencia del reactor por debajo de un 30% y eso fue uno de los detonantes. Ya digo que solo me lo imagino, seguramente fue otra la causa de la catástrofe, pero yo me lo imagino así, como si por debajo de ese porcentaje no fuese estable el reactor influyendo negativamente incluso en la refrigeración del mismo (además del calor residual) o en su propio ritmo de funcionamiento (normal) estable. ¿Pudo influir de alguna forma esa reducción por debajo del 30% de potencia sumada a la desconexión del sistema de barras de control en la brutal explosión? ¿Fue simplemente la presión (hidrógeno, etc…) lo que provocó la catástrofe?

    Me apasiona este tema, bueno en general todo lo relacionado con la energía nuclear.

    Muchas gracias de antemano.

  5. Gabriel Campos dice:

    Ya se que nada tiene que ver un motor con un reactor, es que no sabía hacer la comparación de otra forma.
    Es que veo que dicho así… jejeje puede parecer que ha escrito un loco de atar el texto anterior.

    Gracias.

  6. Ana M Sánchez dice:

    Los átomos radiactivos tienden a perder neutrones de forma natural. ¿Enriquecerlos es adicionar neutrones?. ¿Se da esto también de forma natural en la naturaleza?

  7. telonius dice:

    En realidad si parece que pueden existir de forma natural algun actinido con nº atomico mayor de 92, como el Pu-244, (en estos momentos algo de eso esta comentando brian dunning, si bien parece que no es el caso) pero… realmente se podria llegar a medir el Pu-244 en cualquier sitio o resulta excesivamente escaso para detectarse con los metodos habituales.
    Perdon por los acentos, o sea, por su ausencia, tengo el PC con gripe y todavia no lo he solucionado.

    Ah, por cierto, sepas que tienes un peacho blog, aunque veo que te desenvuelves muy bien en los 140 caracteres.
    Saludos
    @telonnius

    • MiGUi dice:

      El límite experimental de Z=92 es controvertido, aunque creo que se considera así por no entrar en líos. Por no hablar de los núcleos metaestables y las islas de la estabilidad también. He leído sobre el 244Pu y su posible existencia debido, como todos los demás elementos naturales, a la nucleosíntesis en las supernovas pero la verdad, casi que lo consideraría un extremo con un pie fuera del límite.

      Que yo sepa, el 244Pu tiene una vida media de menos de 100 millones de años así que en estado natural debería quedar una cantidad ridículamente pequeña, casi trazas o menos, diría.

      He añadido un link en el primer párrafo para aclararlo. Gracias.

      Saludos y gracias por tu comentario.

  8. telonius dice:

    Gracias a ti por mantener la sensatez cuando todo el mundo parece haber encontrado la bruja definitiva.
    Pero confiesa, tienes 8 o 10 ojos, y otras tantas extremidades funcionales verdad?. es que te estoy viendo retuitear ahora mismo, caxoperro ;-) xDDDD

  9. Elenarojasg dice:

    TROLL TROLL TROLL hala, ya está troleado, ¿porqué dirás esas cosas hombre? ^_^

    P.D.: Muchas gracias por la información y las explicaciones :)

  10. Duck_Sauce dice:

    Enhorabuena por el post, aunque me gustaría hacer una breve anotación:

    Sobre la interacción fuerte y el diagrama de Feymann que expones, afirmas que se produce un intercambio de piones y siendo cierto que en las reacciones entre nucleones se genera un campo piónico, realmente lo que se intercambian son gluones que son las partículas intermediarias en esta interacción fuerte, como lo son los fotones en la electromagnética o los bosones W o Z en la débil.

    Un saludo.

    • MiGUi dice:

      Hola,

      Precisamente, por eso es residual o nuclear y por eso insistí en establecer la diferencia, que a veces no queda del todo clara.

      De hecho, si te fijas, incluso el diagrama de Feynman muestra claramente que en realidad es un doble cambio, y cada una de esas interacciones que globalmente identificamos con un mesón [latex]\pi^0[/latex] son dos interacciones fuertes por separado. Pero supongo que verlo como intercambio de piones es más claro.

      Aunque obviamente por debajo haya una interacción fuerte real que es, sin duda, entre quarks.

      Alguna vez que he hablado de cromodinámica cuántica me he expandido más en ese sentido.

      Saludos y gracias por el comentario.

  11. Nucleo dice:

    Hola!

    ¿Se podrá parar la gran cantidad de colisiones que sa forman? O no es posible? Gracias.

    • MiGUi dice:

      Eso se puede hacer usando “venenos nucleares” como el boro que básicamente lo que hacen es absorber neutrones a saco.

      • Nucleo dice:

        Oh! Viene al final, perdona, lo estaba leyendo.

        Y seguiría siendo dañino para el entorno una vez controlado?

        • MiGUi dice:

          A ver, se puede controlar dentro del reactor. Fuera es muchísimo más difícil lidiar con las fugas de material combustible fundido.